连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法技术

本发明专利技术涉及气凝胶领域，特别涉及连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法。一种核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的制备方法为：混合步骤：将亲水性烷氧化硅化合物、疏水性烷基取代烷氧化硅化合物、及有机混合溶剂混合形成混合溶液；水解步骤：将酸触媒加入混合溶液进行水解反应；缩合分散步骤：将碱触媒加入混合溶液进行缩合反应，且于缩合反应过程中加入分散溶媒，并加以搅拌，使混合溶液于搅拌过程中进行相分离并凝胶化以形成核壳亲疏双极气凝胶颗粒。经过滤与干燥后可获得核壳亲疏双极气凝胶粉末，藉此整体提高核壳亲疏双极气凝胶颗粒与粉末的制备速度，并改善后加工混掺效率及提高产品的隔热效果。

Continuous preparation of core-shell intimate bipolar composite aerogel powder

【技术实现步骤摘要】
连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法
本专利技术涉及气凝胶领域，特别涉及连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法。
技术介绍
气凝胶为一种具立体网状结构的多孔隙材料，且为一种具有密度低、高比表面积、低热导率的科技产品，目前主要应用于隔热保温材料。气凝胶粉末具有高孔洞性(孔洞含量约占90％以上)及极低的体密度(约0.04～0.2g/cm3)。透过气凝胶高孔洞性质，使得气凝胶的比表面积极大(一般硅气凝胶比表面积＞500m2/g)。此外，气凝胶的机能性与未为溶剂占有的孔洞比例有关，故期望所添加的气凝胶达到有效的机能性，如：轻量化、高隔热、高比表面积及高触媒等性质，须保持气凝胶体系中大量的孔洞性及空气含量。然而，疏水性气凝胶粉末于亲水性溶剂中完全不兼容而悬浮于水面上，因此疏水性硅气凝胶粉末无法于亲水性溶剂中加工分散。换言之，疏水性气凝胶粉末仅能于疏水性溶剂中分散，如：甲苯或去光水。由于疏水性气凝胶会吸收疏水性溶剂，导致溶剂渗透侵入气凝胶粉末中，使气凝胶粉末孔洞中的空气为溶剂所取代而丧失气凝胶的隔热性质。另一方面，氧化硅气凝胶于疏水性溶剂中完全不兼容而悬浮于疏水溶剂表面上，因此氧化硅气凝胶粉末无法于疏水性溶剂中加工分散。换言之，氧化硅气凝胶粉末仅能于亲水性溶剂中分散，如：水或乙醇。但因氧化硅气凝胶会吸收亲水性溶剂，导致亲水性溶剂渗透侵入氧化硅气凝胶粉末中，使氧化硅气凝胶粉末孔洞中的空气为溶剂所取代而丧失气凝胶的隔热性质。因此，有必要改善目前商业化气凝胶粉末于不同溶剂中的可操作性以及提高或保持气凝胶材料的高机能性。为此，本专利技术提出一简易控制分散溶媒的亲疏水性质来制备亲水性外壳-疏水性核心或疏水性外壳-亲水性核心的核壳亲疏双极性质气凝胶粉末，利用所专利技术的核壳亲疏双极性质气凝胶粉末，可悬浮分散在溶剂中并保持气凝胶粉末中的孔洞以及空气含量以改善目前商业化气凝胶的类缺点。气凝胶的习知制备方法为溶胶凝胶合成法，主要先将烷氧化硅(alkoxysilane)或正硅酸甲酯等前驱物与有机混合溶剂混合后，加入酸触媒，以进行水解反应(hydrolysis)。待水解反应后，再添加碱触媒，以进行缩合反应(condensation)，缩合反应过程中会逐渐形成溶胶，而溶胶内的分子继续进行缩合反应键结，逐渐形成半固态的高分子凝胶，再经过一段时间的熟化(age)后，使凝胶形成结构稳定立体网状结构。最后利用超临界干燥技术将立体网状结构中的水及甲醇等溶剂萃取干燥，而获得多孔性的干燥块状亲水性气凝胶。由于上述方法采用的干燥技术为超临界干燥技术，因此可避免气凝胶于常压干燥过程受水分表面张力影响而破裂。但由于超临界干燥技术须于高压下进行，因此仅适合极微少量的气凝胶干燥，而不易量产及降低气凝胶的生产成本。疏水性改质气凝胶的习知制备方法亦为溶胶凝胶合成法，主要先以烷氧化硅类(alkoxysilane)或正硅酸甲酯等前驱物与有机混合溶剂混合后，加入酸触媒以进行水解反应(hydrolysis)。待水解反应后，再添加碱触媒，以进行缩合反应(condensation)，而缩合反应过程中会逐渐形成溶胶，且溶胶内的分子继续进行缩合反应键结，逐渐形成半固态的高分子凝胶，再经过一段时间的熟化(age)后，绞碎凝胶以分散形成粉碎状气凝胶湿胶，随后利用氯酰化硅酸甲酯(trimethylsilylchloride，TMCS)进行疏水改质，使湿胶孔洞中的亲水基团(-OH)转换成疏水基团(-CH3)，最后在常压常温环境下进行干燥，既可获得疏水性气凝胶粉末。由于上述方法在常温常压环境下进行，因此可大量生产并降低生产成本。但由于利用本技术所制备的疏水性气凝胶粉末仅可使用在一般有机性溶剂或有机性塑料，且在温度高于250℃以上的环境下会明显热裂解且具有粉尘气爆的危险。然而，上述亲水性或疏水性气凝胶粉末于不相容体系溶剂(疏水性或亲水性)中后加工容易造成气凝胶分散不均与大量气凝胶粉末聚集。另一方面，上述亲水性或疏水性气凝胶粉末于相容体系溶剂(亲水性或疏水性)中后加工时，气凝胶粉末孔隙中的空气将渗有溶剂而消失空气含量，导致丧失气凝胶的隔热与保温性质。故，单一亲疏水特性的气凝胶粉末经后加工后难以获得均匀且优异的隔热性质产品。举例而言，中国台湾专利技术专利申请号第104116983号的「气凝胶颗粒及其制备方法」，主要说明一种气凝胶颗粒的制程，其中在气凝胶缩合反应过程中加入一疏水性分散溶媒，并加以搅拌，使混合溶液于搅拌过程中凝胶化以生产结构较为均一的单一亲疏水特性气凝胶颗粒。又举例而言，中国台湾专利技术专利公开号第200835648号的「多孔材料及其制备方法」，主要将烷氧化硅类或硅酸盐类化合物与有机溶剂混合而以溶胶凝胶法合成，并经改质剂改质，以藉此将多孔结构材料表面的亲水官能基置换为疏水官能基，使气凝胶不受水分的表面张力影响而破裂，因此可在室温常压下进行干燥。然，此前案的疏水性改质为利用常温常压多梯次溶剂置换技术，但此种改质过程须在常温常压下进行超过24小时的溶剂置换，制程所需时间过久，不符成本效益。而且，此前案的气凝胶粉末在后加工过程中仍有气凝胶粉末分散不易且容易结块，或气凝胶粉末分散后孔隙中的空气为溶剂所取代进而丧失气凝胶的隔热性质等问题。
技术实现思路
为改善过去单一亲水性或疏水性气凝胶粉末在后加工分散不均或后加工产品隔热性质下降等问题。爰此，本专利技术人提出一种结合亲水性结构及疏水性结构的气凝胶前躯体以制备生产核壳双亲疏水性质气凝胶颗粒的方法，其包含下列步骤：混合步骤：将亲水性烷氧化硅类(alkoxysilane)，如：四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，TEOS)或四甲氧基硅烷(tetramethoxysilane，TMOS)等，与疏水性烷基取代烷氧化硅类，如：甲基三硅酸甲酯(methyltrimethoxysilane，MTMS)，混合并添加一有机混合溶剂，以形成一混合溶液；水解步骤：将酸触媒加入混合溶液，以进行水解反应；缩合分散步骤：将碱触媒加入水解混合溶液，以进行缩合反应，并在缩合反应过程中加入分散溶媒，并加以搅拌，使混合溶液于搅拌过程中凝胶化以生产核壳双亲疏水性质气凝胶颗粒。于缩合分散步骤中藉由控制亲水性及疏水性烷氧化硅类化合物于混合溶液中的比例，并调控分散溶媒的亲疏水性质，使分散溶媒亲水性成分与亲水性烷氧化硅类化合物相互吸引，并使分散溶媒亲水性成分与疏水性烷基取代烷氧化硅类化合物相互排斥。如此一来，混合溶液中的亲水性烷氧化硅类化合物在亲水性分散溶媒环境下诱导地扩散至气凝胶表面并进行缩合反应并以形成亲水性外壳；反之，混合溶液中的疏水性烷基取代烷氧化硅类化合物聚集在气凝胶核心以形成疏水性核心。也就是说，在亲水性分散溶媒环境中搅拌分散，使混合溶液缩合形成外壳表面亲水性、核心疏水性的气凝胶颗粒。另一方面，在疏水性分散溶媒环境中搅拌分散，使混合溶液缩合形成外壳表面疏水性、核心亲水性的气凝胶颗粒。整体制程简易且可制备不同表面亲疏水性质的双亲疏水性质的气凝胶颗粒。制程速度可快速缩小至3至4小时内可连续完成外壳表面亲水性或外壳表面疏水性的气凝胶颗粒的制备，藉此提高生产效率。进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核壳双极气凝胶颗粒的制备方法，包含下列步骤：/n混合步骤：将一亲水性烷氧化硅类混合物、一疏水性烷基取代烷氧化硅类混合物、与一有机混合溶剂混合，以形成一混合溶液；/n水解步骤：将一酸触媒加入该混合溶液，以进行水解反应；以及/n缩合分散步骤：将一碱触媒加入该混合溶液，以进行缩合反应，并在该缩合反应过程中加入一亲水性分散溶媒或一疏水性分散溶媒，并加以搅拌，使该混合溶液凝胶化而产生该核壳双极气凝胶颗粒；/n其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面疏水性、核心亲水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该疏水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该疏水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一疏水性基团，内层核心呈现一亲水性基团；/n其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面亲水性、核心疏水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该亲水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该亲水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一亲水性基团，内层核心呈现一疏水性基团。/n...

【技术特征摘要】
1.一种核壳双极气凝胶颗粒的制备方法，包含下列步骤：
混合步骤：将一亲水性烷氧化硅类混合物、一疏水性烷基取代烷氧化硅类混合物、与一有机混合溶剂混合，以形成一混合溶液；
水解步骤：将一酸触媒加入该混合溶液，以进行水解反应；以及
缩合分散步骤：将一碱触媒加入该混合溶液，以进行缩合反应，并在该缩合反应过程中加入一亲水性分散溶媒或一疏水性分散溶媒，并加以搅拌，使该混合溶液凝胶化而产生该核壳双极气凝胶颗粒；
其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面疏水性、核心亲水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该疏水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该疏水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一疏水性基团，内层核心呈现一亲水性基团；
其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面亲水性、核心疏水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该亲水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该亲水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一亲水性基团，内层核心呈现一疏水性基团。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述亲水性烷氧化硅类混合物为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、R基-三甲氧基硅烷、或R基-三乙氧基硅烷，其中R基为亲水官能基，其包含酸基-COOH、胺基-NH2、亚胺基＝NH、羟基-OH、酰胺基-CONH-、环氧基-COH-COH、或尿基-NHCONH-，其烯烃链团上的碳数由C1至C8。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述疏水性烷基取代烷氧化硅类混合物为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：R’基-烯烷基三甲氧基硅烷、R’基-烯烷基三乙氧基硅烷、或R’基-烯烷基硅胶，其中R’基-为疏水性官能基，其包含烷基-CH3、烯基-CH2＝CH2、酯基-CO-OR、醚基-C-O-C-、芳香族-C6H4-或卤化物-X，其烯烃链团上的碳数由C1至C13。


4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建宏，
申请(专利权)人：台湾气凝胶科技材料开发股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71